CN102403920B - 三电平半桥光伏并网逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三电平半桥光伏并网逆变器，包括工频切换电路和半桥逆变电路，该逆变器输入侧接太阳能光伏电池板，输出侧通过并网电感连接电网，工频切换电路中的两个功率开关管由工频电网电压过零触发切换，两个功率开关管以低频方式工作，交替地将太阳能电池板电压接入直流母线上相应的均压电容两端，从而实现了降低逆变器输入的直流电压、提高直流电压利用率的目的，降低了开关损耗，提高了系统效率。

Description

三电平半桥光伏并网逆变器

技术领域

本发明涉及一种逆变器，尤其涉及一种三电平半桥光伏并网逆变器。

背景技术

在化石能源逐渐短缺，环境污染问题日益严重的今天，太阳能光伏并网发电这种即干净又不污染空气的能源来源方式越来越受到人们的青睐。毫无疑问，光伏并网逆变器是整个并网型光伏系统能量转换与控制的核心，它能将太阳能电池所输出的直流电转换成符合并网要求的交流电，然后馈入电网，并实现最大功率点跟踪（MPPT）。

在中高压大功率的场合，多电平逆变器已成为当前电力电子技术中备受人们关注的研究热点。三电平半桥逆变器是较早出现的一种多电平逆变器，一方面由于其桥臂有+1、0、-1三种输出电平，所以在相同的输出电压谐波标准的条件下，其等效的开关频率可以降低，从而减少了开关损耗，提高了效率。另一方面由于有直流分压电容中点的存在，使得开关器件所承受的电压应力只为两电平时的一半，从而使得低耐压器件在高压场合的应用成为可能，避免了将功率管直接串联使用出现的动静态均压问题，给逆变器的设计带来了很大的方便。最后，将三电平半桥逆变器应用于光伏并网系统时，其自身的拓扑结构就决定了其共模电压与开关频率无关，为直流母线电压的一半，因此，三电平半桥光伏并网逆变器不会产生共模漏电流，相对于其它存在共模漏电流的拓扑而言，减少了向电网中注入的谐波，提高了电磁兼容性。

但是，未加以改进的三电平半桥光伏并网逆变器不可避免地存在着自身的缺陷，那就是其要求电池板供给该逆变器的电压必须高于市电峰值电压才能保证成功并网，由此导致电池板直流电压利用率低。因为当电池板输出电压低时，传统三电平半桥逆变器的输入电压也随之降低，根本无法实现并网发电。虽然可以通过将输出电压小的电池板相串联而得到输出电压高的电池板，进而直接输入半桥逆变器实现并网。但是相关法规表明：电池板的输入电压过高将会对整个并网系统尤其是非隔离型的并网系的绝缘性和安全性构成威胁。传统的解决办法是在电池板和半桥逆变器之间增设一级隔离型高频链DC/DC升压变换电路，将电池板的输出电压升压至比市电峰值电压还高的电压，然后进行逆变并网。但是由于多增设了一级变换电路，定然会引起整个系统效率的降低，而且隔离型高频链DC/DC变换器技术门槛高，不易实现。另外，传统的三电平半桥逆变器在实际实现时存在直流电容中点电位（O）波动的情况，中点电位波动将会导致三电平半桥逆变器输出电压发生畸变，这时企图通过增加输出电压的电平数来改善输出波形的初衷将会大打折扣。

因此，在当前形势下，必须站在一个新的高度来重新审视电力电子逆变器，提出效率更高的电路拓扑或者更为有效的控制策略。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种三电平半桥光伏并网逆变器，能够有效地降低传统三电平半桥逆变系统的输入电压，提高电池板电压利用率，从而使得在电池板电压低于市电电压时，依然能够并网发电而无需另外增设一级较为复杂的高频链DC/DC变换环节。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种三电平半桥光伏并网逆变器，包括半桥逆变电路，还包括工频切换电路；所述工频切换电路包括：第一功率开关管、第二功率开关管、第一功率二极管、第一电感、第二功率二极管、第二电感；

所述第一功率开关管的集电极与光伏电池板的正端连接，第一功率开关管的发射极接入所述半桥逆变电路中的第一均压电容与第二均压电容组成的桥臂的中点，第二功率开关管的发射极接入光伏电池板的负端，第二功率开关管的集电极接入所述第一均压电容与第二均压电容组成的桥臂的中点，第一功率二极管的阳极接入光伏电池板的正端与第一功率开关管的集电极之间，第一功率二极管的阴极通过第一电感和第一均压电容的上端相连接，第二功率二极管的阴极接入光伏电池板的负端与第二功率开关管的发射极之间，第二功率二极管的阳极通过第二电感和第二均压电容的下端相连接。

优选的，所述半桥逆变电路包括：第一均压电容、第二均压电容、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管、第三功率二极管、第四功率二极管、第三电感；

所述第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管按照上端为集电极、下端为发射极的原则顺向串联，第三功率开关管的集电极与第一均压电容的上端相连接，第六功率开关管的发射极与第二均压电容的下端相连接，第三功率二极管的阳极接入第一均压电容与第二均压电容组成的桥臂的中点，第三功率二极管的阴极接入第三功率开关管的发射极与第四功率开关管的集电极之间，第四功率二极管的阳极接入第五功率开关管的发射极与第六功率开关管的集电极之间，第四功率二极管的阴极接入第一均压电容与第二均压电容组成的桥臂的中点，第三电感的一端接入第四功率开关管的发射极与第五功率开关管的集电极之间，第三电感的另一端与电网的一端相连接，电网的另一端接入第一均压电容与第二均压电容组成的桥臂的中点。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

一、系统电路结构简单，易于实现；

二、保留了传统三电平半桥逆变器输出电压谐波含量小的特点，使滤波器的体积和重量得以减小；

三、采用了三电平架构，电路中的开关器件所承受的电压应力低，使得中小功率的开关器件可使用在高压大功率的场合；

四、工频切换电路中的两个功率开关管均工作在低频状态，共模电压的变化率很小，即共模漏电流亦很小，减小了向电网中注入的谐波含量，提高了电磁兼容性；

五、工频切换电路中的两个功率开关管由工频电网电压过零触发切换，交替地将太阳能电池板电压接入直流母线上相应的均压电容两端，降低了电池板所需要供给逆变系统的电压，大幅度地提高直流电压利用率；而且由于是交替地将电池板电压供给母线电容，所以不存在所谓的中点（O）电位浮动问题；

六、只需采用单级能量转换方式即可实现光伏并网和最大功率点跟踪（MPPT），充分发挥光伏电池板的最大效能；

七、对前级工频切换的开关管S1和S2来讲，除了导通损耗，基本没有开通和关断损耗；

八、工频切换电路基本没有开关损耗，且半桥逆变电路始终采用三角载波层叠方式进行PWM调制，减小了开关次数，降低了开关损耗，显著地提高了整个系统的效率和功率密度。

附图说明

图1为本发明的三电平半桥光伏并网逆变器拓扑示意图。

图2为本发明的三电平半桥光伏并网逆变器拓扑的开关管驱动信号时序关系示意图。

具体实施方式

本发明提供一种三电平半桥光伏并网逆变器，能够解决现有技术中三电平半桥逆变系统的输入电压高、电池板电压利用率低的问题。下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步描述。

如图1所示，一种三电平半桥光伏并网逆变器，包括工频切换电路（2）和半桥逆变电路（3）。具体的，所述工频切换电路包括：第一功率开关管（S1，内含反并联二极管，下同）、第二功率开关管（S2）、第一功率二极管（D1）、第一电感（L1）、第二功率二极管（D2）、第二电感（L2）。

在工频切换电路中，第一功率开关管（S1）的集电极与光伏电池板（1）的正端连接，第一功率开关管（S1）的发射极接入所述半桥逆变电路（2）中的第一均压电容（C1）与第二均压电容（C2）组成的桥臂的中点（O），第二功率开关管（S2）的发射极接入光伏电池板（1）的负端，第二功率开关管（S2）的集电极接入所述第一均压电容（C1）与第二均压电容（C2）组成的桥臂的中点（O），第一功率二极管（D1）的阳极接入光伏电池板（1）的正端与第一功率开关管（S1）的集电极之间，第一功率二极管(D1)的阴极通过第一电感（L1）和第一均压电容（C1）的上端相连接，第二功率二极管（D2）的阳极通过第二电感（L2）和第二均压电容（C2）的下端相连接，第二功率二极管（D2）的阴极接入光伏电池板（1）的负端与第二功率开关管（S2）的发射极之间。

另外，所述半桥逆变电路包括：第三功率开关管（S3）、第四功率开关管（S4）、第五功率开关管（S5）、第六功率开关管（S6）、第一均压电容（C1）、第二均压电容（C2）、第三功率二极管（D3）、第四功率二极管（D4）、第三电感（L3）。

在所述半桥逆变电路中，第三功率开关管（S3）、第四功率开关管（S4）、第五功率开关管（S5）、第六功率开关管（S6）按照上端为集电极、下端为发射极的原则顺向串联，第三功率开关管（S3）的集电极与第一均压电容（C1）的上端相连接，第六功率开关管（S6）的发射极与第二均压电容（C2）的下端相连接，第三功率二极管（D3）的阳极接入第一均压电容（C1）与第二均压电容（C2）组成的桥臂的中点（O），第三功率二极管（D3）的阴极接入第三功率开关管（S3）的发射极与第四功率开关管（S4）的集电极之间，第四功率二极管（D4）的阳极接入第五功率开关管（S5）的发射极与第六功率开关管（S6）的集电极之间，第四功率二极管（D4）的阴极接入第一均压电容（C1）与第二均压电容（C2）组成的桥臂的中点（O），第三电感（L3）的其中一端接入第四功率开关管（S4）的发射极与第五功率开关管（S5）的集电极之间，第三电感（L3）的另外一端与电网的其中一端相连接，电网的另一端接入第一均压电容（C1）与第二均压电容（C2）组成的桥臂的中点（O）。

本发明中的三电平半桥光伏并网逆变器输出的稳定模态（AO间电压）与开关状态的关系如下表所示：

表1  电路稳定模态与开关状态的关系

其中，E/2表示光伏电池板的输出电压；E表示直流母线电压。

本发明的三电平半桥光伏并网逆变器大致工作原理如下：在进行系统实现时，通过数字信号处理器实时捕获工频电网电压的过零点，在电网电压过零时刻控制功率开关管S1、S2的通断。在电网电压的正向过零时刻，使工频切换电路中的第二功率开关S2导通，第一功率开关S1关断，这时电池板电压将通过第一功率二极管D1和第一电感L1加至第一均压电容C1的两端，在同样的并网条件下使得电池板的供电电压（即逆变系统的输入电压）得以减半，稳定时电路工作在模态M1，M2，将能量馈入电网；在电网电压的负向过零时刻，使工频切换电路中的第一功率开关S1导通，第二功率开关S2关断，这时电池板电压将通过第二功率二极管D2和第二电感L2加至第二均压电容C2的两端，在同样的并网条件下使得电池板的供电电压得以减半，稳定时电路工作在模态M3，M4，将能量馈入电网。在系统工作的整个过程中，半桥逆变电路中的功率开关管（S3～S6）始终采用三角载波层叠方式进行PWM调制，按照公知方式进行工作。系统中的功率开关管对应的驱动信号的时序关系如图2所示，其中drv1～drv6对应S1～S6功率开关管的驱动信号，可见对前级工频切换的开关管S1和S2来讲，除了导通损耗，基本没有开通和关断损耗，使得整个系统的效率得以提高。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

一、系统电路结构简单，易于实现；

二、保留了传统三电平半桥逆变器输出电压谐波含量小的特点，使滤波器的体积和重量得以减小；

三、采用了三电平架构，电路中的开关器件所承受的电压应力低，使得中小功率的开关器件可使用在高压大功率的场合；

四、工频切换电路中的两个功率开关管均工作在低频状态，共模电压的变化率很小，即共模漏电流亦很小，减小了向电网中注入的谐波含量，提高了电磁兼容性；

五、工频切换电路中的两个功率开关管由工频电网电压过零触发切换，交替地将太阳能电池板电压接入直流母线上相应的均压电容两端，降低了电池板所需要供给逆变系统的电压，大幅度地提高直流电压利用率；而且由于是交替地将电池板电压供给母线电容，所以不存在所谓的中点（O）电位浮动问题；

六、只需采用单级能量转换方式即可实现光伏并网和最大功率点跟踪（MPPT），充分发挥光伏电池板的最大效能；

七、对前级工频切换的开关管S1和S2来讲，除了导通损耗，基本没有开通和关断损耗；

八、工频切换电路基本没有开关损耗，且半桥逆变电路始终采用三角载波层叠方式进行PWM调制，减小了开关次数，降低了开关损耗，显著地提高了整个系统的效率和功率密度。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种三电平半桥光伏并网逆变器，包括半桥逆变电路，其特征在于：

还包括工频切换电路；所述工频切换电路包括：第一功率开关管、第二功率开关管、第一功率二极管、第一电感、第二功率二极管、第二电感；

所述第一功率开关管的集电极与光伏电池板的正端连接，第一功率开关管的发射极接入所述半桥逆变电路中的第一均压电容与第二均压电容组成的桥臂的中点，第二功率开关管的发射极接入光伏电池板的负端，第二功率开关管的集电极接入所述第一均压电容与第二均压电容组成的桥臂的中点，第一功率二极管的阳极接入光伏电池板的正端与第一功率开关管的集电极之间，第一功率二极管的阴极通过第一电感和第一均压电容的上端相连接，第二功率二极管的阴极接入光伏电池板的负端与第二功率开关管的发射极之间，第二功率二极管的阳极通过第二电感和第二均压电容的下端相连接；

所述半桥逆变电路包括：第一均压电容、第二均压电容、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管、第三功率二极管、第四功率二极管、第三电感；

所述第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管按照上端为集电极、下端为发射极的原则顺向串联，第三功率开关管的集电极与第一均压电容的上端相连接，第六功率开关管的发射极与第二均压电容的下端相连接，第三功率二极管的阳极接入第一均压电容与第二均压电容组成的桥臂的中点，第三功率二极管的阴极接入第三功率开关管的发射极与第四功率开关管的集电极之间，第四功率二极管的阳极接入第五功率开关管的发射极与第六功率开关管的集电极之间，第四功率二极管的阴极接入第一均压电容与第二均压电容组成的桥臂的中点，第三电感的一端接入第四功率开关管的发射极与第五功率开关管的集电极之间，第三电感的另一端与电网的一端相连接，电网的另一端接入第一均压电容与第二均压电容组成的桥臂的中点。

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